傳感器退居二線(xiàn)：執行器正在步入智能工廠(chǎng)的舞臺

在宣揚工業(yè)4.0新成果和未來(lái)可能性的文章和視頻中，智能傳感器常能成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。傳感器是工廠(chǎng)車(chē)間的“耳目”，讓可編程邏輯控制器(PLC)洞察一切，而執行器（圖1）就像幕后的無(wú)名英雄，賦予指令以“筋肉”，幫助完成所有任務(wù)。對傳感器的過(guò)分關(guān)注可能是因為，許多人沒(méi)有意識到，讓執行器實(shí)現“智能化”可以為工廠(chǎng)管理人員帶來(lái)豐厚回報。這篇博文首先探討智能執行器的一些優(yōu)勢，然后介紹一個(gè)參考設計，演示利用IO-Link實(shí)現實(shí)用智能工廠(chǎng)執行器與PLC通信的優(yōu)勢。

圖1 工廠(chǎng)車(chē)間的無(wú)名英雄——執行器，正在變得更加智能

從機械控制到電氣控制再到微電子控制

傳統上，執行器通過(guò)機械原理（氣動(dòng)、液壓）來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉閥門(mén)，但在許多應用中，電控電機已取代這些機械裝置。盡管如此，執行器總會(huì )有活動(dòng)部件。這些活動(dòng)部件會(huì )產(chǎn)生摩擦，需要持續監控和維護，以防止發(fā)生可能導致生產(chǎn)意外停止的故障。加入低壓電子元件可以讓工廠(chǎng)操作員更加巧妙地完成任務(wù)。微電子技術(shù)為執行器帶來(lái)的一些優(yōu)勢包括：

●   低功耗開(kāi)關(guān)：以前，電動(dòng)執行器依賴(lài)于能效低且不可靠的繼電器，但如今，板載電子器件實(shí)現了H橋式開(kāi)關(guān)，使執行器更易于使用低電平電源信號進(jìn)行控制，同時(shí)還能降低觸電風(fēng)險，提高安全性。板載電子器件還支持使用額定功率更低的控制元件，有助于簡(jiǎn)化設計。此外，使用板載電子器件來(lái)管理電源可以減少開(kāi)關(guān)或觸點(diǎn)上的電流，從而實(shí)現效率更高、成本更低的系統設計。

●   位置反饋：集成電子器件的一大優(yōu)勢在于，可以準確了解執行器在工作周期中每一時(shí)間點(diǎn)的位置。使用編碼器的高級位置控制可實(shí)現各種運動(dòng)曲線(xiàn)。如果需要，其中的任何變化都可能觸發(fā)調整和警報，或觸發(fā)系統自動(dòng)關(guān)閉，防止造成不可挽回的損害。

●   狀態(tài)監控：通過(guò)監控自身狀態(tài)（狀況），智能執行器為操作員提供了一張額外的安全防護網(wǎng)，防止造成代價(jià)昂貴的損壞以及相關(guān)的更換或維修。例如，執行器可以監控溫度（對于活動(dòng)部件至關(guān)重要的指標）、電壓和電流水平，并采取相應措施來(lái)消除隱患，或者在必要時(shí)采取保護措施。執行器還收集有關(guān)已執行工作周期數的數據，并在需要維護時(shí)發(fā)送自動(dòng)提醒。越來(lái)越多的執行器集成了智能算法來(lái)監測振動(dòng)和噪聲，這些是判斷機械部件是否過(guò)度磨損的潛在指標。

●   實(shí)時(shí)通信：位置反饋、狀態(tài)監控和其他診斷提供的信息只有轉化為可執行的方案，才能真正發(fā)揮作用。此類(lèi)信息必須通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與PLC共享?，F場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)版本眾多，智能執行器設計人員必須要慎重決定使用哪種協(xié)議和版本。

借助經(jīng)過(guò)驗證的智能執行器參考設計快速上手

ADI公司和TMG TE合作設計了MAXREFDES278# 8通道電磁閥執行器參考設計（圖2），該設計基于MAX22200 1A八通道集成串行控制電磁閥驅動(dòng)器IC（集成了FET）和MAX22514 IO-Link收發(fā)器（集成了保護功能）。MAXREFDES278#采用工業(yè)85mm x 42mm外形尺寸設計，每個(gè)電磁閥通道都包含一個(gè)專(zhuān)用雙向端子塊，并使用行業(yè)標準M12連接器，支持使用4線(xiàn)IO-Link電纜將其連接到IO-Link主站收發(fā)器（如MAX14819）。

圖2 MAXREFDES278# IO-Link 8通道電磁閥執行器參考設計

該參考設計可以通過(guò)兩種方式供電。例如直接通過(guò)IO-Link主站供電（支持高達800mA的總負載），或使用外部電源提供更高的電流。參考設計使用MAX17608限流器，具有過(guò)壓(OV)、欠壓(UV)和反向保護功能，確保IO-Link部分始終通電，從而避免電流回流至IO-Link主站。使用IO-Link進(jìn)行數據通信的優(yōu)勢在于，它支持四種不同類(lèi)型的傳輸——過(guò)程數據、診斷、配置和事件，這些信息可以指示執行器是否故障，以便快速執行相關(guān)操作。IO-Link的另一個(gè)優(yōu)勢在于可使執行器“與網(wǎng)絡(luò )無(wú)關(guān)”，也就是執行器可以在任何工業(yè)網(wǎng)絡(luò )上工作，工程師無(wú)需擔心執行器設計選擇哪種協(xié)議。